瞬变电磁在探测富水区煤层中的应用

瞬变电磁在探测富水区煤层中的应用

崔孝君

崔孝君汾西矿业集团双柳煤矿033300

摘要国不少煤矿发生过透水事故。重大透水事故造成人员重大伤亡和财产严重损失并导致煤矿停产。煤矿透水事故原因各异，防止透水事故发生的有效方法，是事先探测出水患源头或储水构造的位置然后再注浆处理。

关键词瞬变电磁富水煤层应用探测

探测地下储水构造的最佳方法是瞬变电磁法，因为瞬变电磁法在各种电法和电磁法中分辨率最高，对含水低阻体最敏感。当然，在地面也可以探测地下储水构造，但如果在井下探测则分辨率更高，更准确。因为井下的外界电磁干扰很小，观测数据质量高，探测装置离目标体近，准确度高，避免了井下透水事故的发生。

一、工作面概况

23405回采工作面总体位于一单斜构造之上，煤（岩）层倾向约303°，倾角在3--10°左右。所采煤层为3、4#合并层煤属二叠系山西组下段顶部煤层，该煤层区内稳定，结构复杂，含二—四层厚约0.02—0.3米的深灰—黑色碳质泥岩、泥岩夹矸层。区内煤层倾角3—10°，平均6°。该工作面走向长1138.5米，倾斜长158.1米，斜面积为179997m²，煤厚3.25米，容重1.39t/m3，工业储量813136吨，回采率按95%计算，可采储量772479吨。

3、4#煤顶板以中粒灰白色长石石英砂岩为主，分选磨圆中等，钙质胶结，抗压强度27.1Mpa，抗拉强度3.1Mpa，裂隙发育；局部发育有灰-黑灰色泥页岩伪顶，团块状，节理发育，未充填，松软，含植物化石；泥岩、砂质泥岩为主要隔水层。

3、4#煤底板至L5或L4灰岩之间岩层称作结构性隔水层组，为泥岩砂岩互层。隔水层组厚度25～30m，泥岩类比例超过50%，泥岩为不透水岩层但强度较低，遇水碎裂膨胀，据测试资料，砂质泥岩单向抗压强度为33MPa，抗拉强度为0.7MPa，抗剪强度为6.14MPa。其间砂岩为弱透水岩层，但强度较高。

二、瞬变探测任务、目的及工作原理

1、物探探测任务及目的

1）本次工作面探测布置测线共4条，每条测线117个物理点，总计468个物理点。2）探测工作面顺层及底板的低阻体异常及分布范围。3）分析测区内含水构造形态、水力联系。4）对测区内煤层开采或水害治理提供物理探测技术依据。5）为布置探防水钻孔设计提供依据。

2、矿井瞬变电磁（TEM）的原理及特点

矿井瞬变电磁和地面瞬变电磁法的基本原理的一样的，理论上也完全可以使用地面电磁法的一切装置及采集参数，但受井下环境的影响，矿井瞬变电磁法与地面的TEM的数据采集与处理相比又有很大的区别。由于矿井轨道、高压环境及小规模线框装置的影响，在井下的探测深度很受限制，一般可以有效解释100m左右。另外地面瞬变法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自与地表以下半空间层，而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种响应来自回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来很大的困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

3、矿井瞬变电磁法地球物理特征

在探测富水区的位置及其分布范围等方面，瞬变电磁法是目前最有效的方法之一，其物理基础是富水区相对于周围地层有明显的电性差异。理论上讲，干燥岩石的电阻率值很大，但实际上地下岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石的湿度或者含水饱和度的增加，电阻率急剧下降；当岩层完整时其电阻率较高，受构造运动或地下水作用的影响，部分地段岩层破碎或裂隙发育，破碎程度及其含水的饱和度越大（砂岩、灰岩富水性增强），岩石的导电性会显著增强，地层电阻率会明显降低，断面图上会有明显的低阻异常反映。正常情况下，各层位电性在横向上是相对均一的。当存在局部低阻异常体（裂隙带、富水区等）时，在断面上就会出现局部低电阻率异常区。

4、矿井瞬变电磁工作仪器

现场仪器使用的为武汉地大华睿地学技术有限公司生产的TEMHZ75矿用瞬变电磁仪实现。这套矿用瞬变电磁仪对低阻充水破碎带反映特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工快捷、效率高等优点,为煤矿企业在生产过程中水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段。通过多次脉冲激发场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术的应用提高信噪比，应用于煤矿井下水害超前预报使用，有效勘探深度能达到100米。

三、23405工作面现场施工及结果解析

1、具体的施工布置如下：在23405工作面材巷从切眼位置开始探测，间距为10m，运输巷也是从切眼开始探测，间距为10m，共117个探点，每一个探点设置2个方向，分别为线框与煤帮成0°、45°，共468个物理测点。

2、施工技术措施，矿井瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数16匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为2.5A，供电脉宽10ms，采样率16µS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。

3、质量评述本次矿井瞬变电磁法勘探试验数据采集，严格按《瞬变电磁法技术规程》《电阻率测深法技术规程》执行，并通过多次叠加，提高信噪比等方法，保证了本次试验的数据采集，从而保证了施工质量。

2、瞬变电磁法探测结果解析

本次物探资料的解释工作是在条件试验基础上，采取由已知到未知，由点到线，由线到面，由简单到复杂的解释原则。经过原始数据的选择、软件滤波及人工滤波校正以及SUFER成图处理，得到视电阻率剖面图，以下为结果解析：

（1）、23405工作面材巷西帮瞬变探测（顺层方向）资料解释：

23405工作面材巷西帮瞬变探测(顺层方向)一共有9个异常区,1号异常区在距切割巷0-30m，深度在53-100m，2异常区在距切割巷80-100m，深度在70-100m，3号异常区在距切割巷260-330m，深度在65-100m，4号异常区在距切割巷410-450m，深度在65-100m，5号异常区在距切割巷490-540m，深度在80-100m，6号异常区在距切割巷840-930m，深度在90-100m，7号异常区在距切割巷960-990m，深度在42-100m，8号异常区在距切割巷1028-1052m，深度在72-100m，9号异常区在距切割巷1090-1110m，深度在72-100m，其中1号、5号、7号异常区视电阻率相对较低，存在低阻异常，推测23405工作面顺层方向局部赋水可能性较大，2号、3号、4号、6号、8号、9号异常区视电阻率相对较低，推测23405工作面顺层方向局部存在赋水的可能性。

（3）、23405工作面运巷东帮瞬变探测（顺层方向）资料解释：

23405工作面运巷东帮瞬变探测(顺层方向)一共有5个异常区,10号异常区在距切割巷10-30m，深度在90-100m，11异常区在距切割巷590-720m，深度在50-80m，12号异常区在距切割巷900-950m，深度在50-100m，13号异常区在距切割巷1065-1080m，深度在70-100m，14号异常区在距切割巷1130-1160m，深度在50-100m，其中14号异常区视电阻率相对较低，存在低阻异常，推测23405工作面顺层方向局部赋水可能性较大，10号、11号、12号、13号异常区视电阻率相对较低，推测23405工作面顺层方向局部存在赋水的可能性。

（4）、23405工作面材巷西帮瞬变探测（底板45°方向）资料解释：

23405工作面材巷西帮瞬变探测(底板45°方向)一共有7个异常区,1号异常区在距切割巷0-30m，深度在60-100m，2异常区在距切割巷70-110m，深度在80-100m，3号异常区在距切割巷290-450m，深度在90-100m，4号异常区在距切割巷780-900m，深度在80-100m，5号异常区在距切割巷960-1000m，深度在60-100m，6号异常区在距切割巷1010-1025m，深度在82-100m，7号异常区在距切割巷1055-1070m，深度在85-100m，其中1号、2号、5号异常区视电阻率相对较低，存在低阻异常，推测23405工作面底板45°方向局部赋水可能性较大，3号、4号、6号、7号异常区视电阻率相对较低，推测23405工作面底板45°方向局部存在赋水的可能性。

（5）、23405工作面运巷东帮瞬变探测（底板45°方向）资料解释：

23405工作面运巷东帮瞬变探测(底板45°方向)一共有5个异常区,8号异常区在距切割巷50-120m，深度在50-100m，9异常区在距切割巷890-990m，深度在40-100m，10号异常区在距切割巷1065-1085m，深度在75-100m，11号异常区在距切割巷1125-1135m，深度在72-100m，12号异常区在距切割巷1150-1160m，深度在70-100m，其中9号异常区视电阻率相对较低，存在低阻异常，推测23405工作面底板45°方向局部赋水可能性较大，8号、10号、11号12号异常区视电阻率相对较低，推测23405工作面底板45°方向局部存在赋水的可能性。

四、总结

通过23405工作面现场探测跟踪对比，其结果准确率为85％，提高了数据采集质量及其利用率;结合关断时间校正，提高对浅层目标体的分辨率;进一步完善瞬变电磁法现场观测技术方法，提出了矿井瞬变电磁法勘探技术研究的方向，必须加强对数据采集与分析技术的研究程度。努力形成一套便捷实用的矿井瞬变电磁技术系统，为今后进一步的探测应用打下基础。